《通信原理》实验指导书.docx
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《通信原理》实验指导书
《通信原理》
实验指导书
惠州学院电子科学系
2012年3月
前言
一．通信原理实验的任务
通信原理实验是通信原理课程的一部分，它的任务是：
1.通过实验进一步了解和掌握通信系统原理的基本概念、通信系统的分析方法和设计方法。
2.学习和掌握通信系统的构成和信号的传输，并能够对信号进行分析。
3.提高应用函数信号发生器和示波器的能力及水平。
二．实验设备
通信原理实验所使用的设备为40M数字示波器、通信原理综合实验系统，其中实验所需要的信号由通信原理综合实验系统中函数信号发生器产生，并将信号送入到通信原理综合实验系统，处理完成的信号通过数字示波器输出。
三．对参加实验学生的要求
1.阅读实验指导书，复习与实验有关的理论知识，明确实验目的，了解内容和方法。
2.按实验指导书要求进行接线和操作，经检查和指导老师同意后再通电。
3.在实验中注意观察，记录有关数据和图像，并由指导教师复查后才能结束实验。
4.实验后应断电，整理实验台，恢复到实验前的情况。
5.认真写实验报告，按规定格式做出图表、曲线、并分析实验结果。
字迹要清楚，结论要明确。
爱护实验设备，遵守实验室纪律。
*注：
本实验指导书适用于通信原理课程
现代通信原理实验系统简介…………………………………1
实验一信号发生器系统实验………………………………5
实验二HDB3码型变换实验………………………………14
实验四脉冲编码（PCM）及系统实验……………………23
实验七频移键控调制与解调实验………………………39
实验八移相键控调制与解调实验………………………45
实验十一时分复用数字信号接收实验……………………62
附录二TP3057功能简介…………………………………68
附录四CD22103功能简介………………………………75
通信原理实验系统介绍
一、通信原理实验系统总方框图
通信原理实验系统总方框图如图1所示。
FSK
PSK
位同步
信号源
PCM
帧同步
模拟
信号
数字
信号
ΔM
数字
终端
HDB3
PAM
VCO
图1通信原理实验系统总方框图
二、系统单元电路组成
由图1可知，电子与通信原理实验系统由下列十一个单元电路组成：
1．信号发生器系统单元
2．HDB3码编译码单元
3．脉冲幅度调制与解调系统单元
4．脉冲编码调制与解调系统单元
5．增量调制与解调系统单元
6．基本锁相环与锁相式数字频率合成器系统单元
7．FSK调制与解调系统单元
8．PSK调制与解调系统单元
9．帧同步信号提取单元
10.位同步信号提取单元
11.时分复用信号接收单元
三、实验内容
通信原理实验系统可独立完成11个实验项目：
1．信号发生器系统实验
2．HDB3码编译码单元
3．脉冲幅度调制（PAM）及系统实验
4．脉冲编码调制（PCM）及系统实验
5．增量调制与解调实验
6．基本锁相环与数字频率合成器系统实验
7．频移键控调制与解调实验
8．相移键控调制与解调实验
9．帧同步信号提取实验
10．位同步信号提取实验
11．时分复用数字信号接收实验
四、教学实验时数安排
实验一信号发生器系统实验4学时
实验二HDB3码型变换实验2学时
实验三脉冲幅度调制（PAM）及系统实验2学时
实验四脉冲编码调制（PCM）及系统实验3学时
实验五增量调制编、译码系统实验3学时
实验六基本锁相环与数字频率合成器系统实验3学时
实验七频移键控调制与解调实验3学时
实验八相移键控调制与解调实验3学时
实验九帧同步系统实验4学时
实验十位同步系统实验4学时
实验十一时分复用数字信号接收实验2学时
总实验时数为33学时，在实施过程中，对不同层次、不同对象，可灵活安排，也可以安排一些内容作为示教，也可依据教学大纲和理论教学情况合理安排。
五、其它说明
1．由于本实验系统原理电路图较多，不可能在一张图纸上画出所有各部分的电路图，同时由于计算机辅助设计及辅助教学的实现，实验系统中的全部电路均由计算机辅助设计而成，因而同学们在实验时，必须学会看懂计算机辅助设计的电路图。
这也是提高学生分析问题、解决问题的一个重要方面。
2．由于本教材提供的所有实验内容全部编排在一块大的印制电路板内，而且各部分的功能（包括硬件电路与软件设计）均已调试好。
因此，同学们没有必要花大量的时间去在面板上进行连接电路，而要把大量的时间花在分析原理电路上。
3．在开设实验前，实验室必须提供小起子等常用工具。
4．凡本实验系统内的短路开关，横向排列的从左边起为第一脚，纵向排列的从上面起为第一脚。
5．注意：
只有做PCM实验时K201接1、2脚，除此之外K201均应接2、3脚;做帧同步实验的时候，当帧同步码不为1110010（即SW001的设置不为11110010）时，切勿用示波器探头接触TP301，否则实验结果将会发生错误（若已发生错误，请关闭电源以后将SW001设置为11110010，然后继续实验）。
实验一信号发生器系统实验
一、实验目的
1.了解多种时钟信号的产生方法。
2.掌握用数字电路产生伪随机序列码的实现方法。
3.了解PCM编码的收/发帧同步信号的产生过程。
4.了解几种常见的数字基带信号。
5.掌握AMI码的编码规则。
二、实验内容
1．用内时钟信号源产生的信号作为总时钟输入，分别分析各级电路，并测出各测量点波形。
2．分析伪随机码发生器的工作原理。
3.掌握数字基带各种信号的定义与产生方法，观察各点波形。
4.熟悉时分复用信号的产生与帧同步信号集中插入的方法，观察各点波形。
5.掌握用函数发生器产生正弦波和三角波的方法，观察并调节8038的输出波形。
6．掌握各输出信号在整个系统中的作用。
三、实验原理
本实验的信号发生器分为三个独立的部分:
以4.096MHz晶振为中心的时钟信号产生部分、以4.433MHz晶振为中心的数字信号产生部分和以8038函数发生器为中心的模拟信号产生部分。
信号发生器的目的是提供实验箱各实验系统的各种时钟信号和其它有用信号及测试信号。
1．时钟信号产生部分
该部分的作用是产生不同频率的方波、伪随机序列以及其他脉冲信号，用以作为后续实验各个模块的时钟信号和基带信号，其原理框图及其电路原理图分别如图1-1、图1-2所示。
时钟分频
内时钟源
4.096MHz
伪随机码
产生电路
时
钟
分
频
1.024MHz32kHz伪随机码
2kHz
512kHz
256kHz
2分频
分帧同步
信号产生
128kHz帧同步信号
图1-1时钟信号产生原理框图
图1-2时钟信号源电路原理图
（1）内时钟信号源。
内时钟信号源电路由晶振CRY002（4.096MHz）、电阻R014（1KΩ）和R015（1KΩ）,电容C023（0.01uf）,非门U023：
A（74LS04）和U023：
B（74LS04）组成。
加电后，在U023：
A的输出端输出一个较为理想的方波信号，其振荡频率为4.096MHz，经过D触发器U018：
B（74LS74）二分频后，输出2.048MHz的方波信号，送到分频电路U019:
74LS161的第2脚。
（2）三级基准信号分频电路及PCM编码调制收发帧同步信号产生电路
该电路的输入时钟信号为2.048MHz的方波，即测试点TP002端。
三级基准信号分频电路及PCM编码调制同步信号由三级可预置四位二进制计数器（带直接清零）组成，逐次分频变成8kHz窄脉冲。
U019、U020、U021（74LS161）的第二引脚为各级时钟输入端，输入时钟分别为2048kHz、128kHz、8KHz。
予置数据输入端P3、P2、P1、P0均接地，为低电平，这样每次均从零开始记数，当记数到16个脉冲后，其15脚为进位输出端输出一个16分频的128kHz、8kHz窄脉冲信号。
每级的Q0、Q1、Q2、Q3输出均为2分频输出波形。
由第一级分频电路U019产生的128kHz窄脉冲和由第二级分频电路U020产生的8KHz窄脉冲经处理后输出PCM编译码器中的收、发帧同步信号，同时产生256KHz、64KHz、32KHz、16KHz、2KHz、1KHz方波信号，供后续实验使用。
（3）伪随机码发生器电路
伪随机序列即m序列，其显著特点是：
（a）随机特性（b）预先可确定性（c）可重复实现。
图1-3是伪随机序列的产生过程框图，图1-4为对应的状态转移图。
采用带有两个反馈抽头线圈的3级反馈移位寄存器来产生7位伪随机序列。
设初始状态为111（Q2Q1Q0=111），则在时钟的作用下移位一次后，由Q1与Q0模二加后产生新的输入Q2=Q0Q1=11=0，则新状态变为Q2Q1Q0=011；当移位两次时，由Q1与Q0模二加后产生新的输入Q2=Q0Q1=11=0，则新状态变为Q2Q1Q0=001，依此类推，移位七次后，新状态变为111，即回到初始状态。
111
110
时钟
011
101
Q2
Q0
Q1
输出
001
010
+
100
图1-3只有两个反馈抽头的伪随机序列码发生器图1-4状态转移图
图1-2是本实验系统中伪随机码发生器的电路原理图。
图中三个D触发器U018A、U015A、U025B（74LS74）构成三级移位寄存器，模二加法器由异或门U027A：
74LS86构成；为防止全零状态出现，将三级D触发器的Q端分别连到与非门U024：
A（74LS10）的三个输入端，与非门的输出端连到D触发器U025：
A（74LS74）的第四端（该端为置“1”端）。
这样，一旦出现三级D触发器的输出端（Q端）为全零状态时，与非门的输出端立即输出低电平，使D触发器的Q端输出置“1”，电路恢复正常工作，即电路不可能处于Q2Q1Q0=000的状态，从而保证了状态转移图在七个非0状态下循环。
该电路的工作时钟有32kHz、2kHz两种工作方式可供选择，由跳线开关K001进行控制，从而输出不同速率的伪随机码序列。
2.数字信号产生部分
本模块产生六种数字基带信号NRZ、RZ、BNRZ、BRZ、BPH、AMI，其原理框图如图1-5所示。
信号码速率为170.5Kb/s，帧结构如图1-6所示，帧长为24位，其中首位无定义，第2位到第8位是帧同步码（1110010），另外16位为每路8位的两路数据信号，该信号作为集中插入帧同步码时分复用信号，发光二极管亮状态表示1码，暗状态表示0码，本实验系统中数字基带信号产生的电路原理如图1-7所示。
（1）分频器
74LS161进行13分频，输出信号频率为341kHz。
74LS161是一个四位二进制加计数器，预置在3状态。
74LS193完成÷2、÷4、÷8、÷16运算，TP011为位同步信号，频率为170.5kHz。
40160是一个二－十进制加计数器，预置在7状态，完成÷3运算。
并行码产生器
八选一
八选一
八选一
分频器
晶振
BNRZ
BRZ
NRZ
码
型
变
换
器
RZ
三选一
BPH
AMI
图1-5数字信源框图
无定义位
数据2
数据1
帧同步码
X
1
1
1
0
0
1
0
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
图1-6帧结构
（1）分频器
U002：
74LS161A进行13分频，输出信号频率为341kHz。
74LS161A是一个四位二进制加计数器，预置在3状态。
U003：
74LS193完成÷2、÷4、÷8、÷16运算，TP011输出频率为170.5kHz的位同步信号。
U004：
40160是一个二－十进制加减计数器，预置值为7，完成÷3运算。
（2）八选一
采用数据选择器4512，它内含了8路数据传输开关、地址译码器和三态驱动器，U005、U006和U007的地址信号输入端A、B、C并连在一起并分别接74LS193的2、6、7脚，它们的8个数据信号输入端X0～X7分别与SW001、SW002、SW003输出的8个并行信号连接。
图1-7数字信号源电路原理图
（3）三选一
三选一电路原理同八选一电路原理。
U004：
40160的14和15脚的输出信号分别输入到U008：
4512的地址端A和B，U005、U006、U007输出的3路串行信号分别输入到U008的数据端X3、X0、X1，通过U008输出码速率为170.5kb/s的2路时分复用信号，该信号为单极性非归零信号（NRZ）。
3.模拟信号产生部分
模拟信号产生电路原理如图1-8所示，其中，ICL8038是单片机集成函数信号发生器，它由恒流源I1和I2、电压比较器A和B、触发器、缓冲器及三角波变正弦波电路等组成。
外接电容C由两个恒流源充电和放电，电压比较器A、B的阈值分别为电源电压（指UCC+UEE的2/3和1/3）。
恒流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，但必须满足I2﹥I1。
当触发器的输出为低电平时，恒流源I2断开，恒流源I1给C充电，它的两端电压UC随时间线性上升，当UC达到电源电压的2/3时，电压比较器A的输出电压发生跳变，使触发器输出电压由低电平变为高电平，恒流源I2接通，由于I2﹥I1，（设I2=2I1），恒流源I2将电流2I1加到C上反充电，相当于C由一个净电流I放电，C的两端的电压UC又转为直线下降。
当它下降到电源的电压的1/3时，电压比较器的输出电压发生跳变，使触发器的输出由高电平跳变为原来的低电平，恒流源I2断开，I1再给C充电,…….如此周而复始，产生震荡。
若调整电路，使I2=2I1，则触发器输出为方波，经反相缓冲器由管脚⑨输出方波信号。
C上的电压UC，上升和下降时间相等，为三角波，经电压跟随器从管脚③输出三角波信号。
将三角波变成正弦波是经过一个非线性变换网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波电位向两端顶点摆动时，网络提供的交流通路阻抗会减小，这样会使三角波的两端变为平滑的正弦波，从管脚②输出。
图1-8模拟信号源电路原理图
四、实验步骤
熟悉信号源各部分的工作原理，接通电源开关；按下开关K1、K2，使信号源部分工作。
1．时钟信号产生部分
用TP006作为示波器的外同步信号，进行以下测量。
1将K001接1、2脚（即用短路器连接左边与中间的插针，下同），观察TP002—TP007的波形，记录下来。
2将K001接2、3脚，再次观察TP006与TP007的波形（注意：
测量TP007伪随机码时，采用自同步）。
2.数字信号产生部分
测量帧同步信号TP012，然后用TP012作为示波器的外同步信号，进行以下测量。
1将拨码开关SW001、SW002、SW003设置为111000001100101011111000（往上拨为1，对应的发光二极管发亮，往下拨为0，对应的发光二极管熄灭），观察TP011—TP018各处的波形，记录下来。
2改变3个拨码开关的值，观察TP013—TP018处波形变化的情况并记录下来。
3.模拟信号产生部分
1用短路器连接J003，调节电位器W002，使TP010输出的方波占空比为50%，再观察TP008输出的正弦波，反复调整W003、W004，使正弦波不产生明显失真。
2调节W001，使输出信号频率从小到大变化，记录8038第8脚的电位并测量正弦波的频率，列表记录下来。
3改变8038外接电容的大小（用短路器连接J001或J002），观察输出的正弦波的波形，并与用短路器连接J003时的波形比较。
如有失真度测量仪，则测出接J001、J002、J003时的正弦波失真度系数并比较之。
五、各测量点参考波形（如图1-9所示）
TP001：
4.433MHZ，占空比为50%的方波（时钟源）。
TP002：
2.048MHZ，占空比为50%方波。
TP003：
128KHZ脉冲。
TP004：
8KHZ脉冲。
TP006：
开关K001接1、2脚时，为2KHZ，占空比为50%方波；
开关K001接2、3脚时，为32KHZ，占空比为50%方波。
TP007：
伪随机码，7位（码元速率为2KHZ或32KHZ，通过K001跳线设置）。
TP008：
输出频率、失真度可调的正弦波（W001调频率，W002、W003、W004调失真度）。
TP011：
170.5kHZ，占空比为50%的方波（作位同步信号）。
TP012：
7.1KHZ，占空比为33%的方波（作帧同步信号）。
TP013：
将拨码开关SW001,SW002,SW003的设置为11100000，11001010，11111000，输出为NRZ码（单极性非归零码）。
TP014：
拨码开关设置不变，输出为BPH码（双相码）。
TP015：
拨码开关设置不变，输出为RZ码（单极性归零码）。
TP016：
拨码开关设置不变，输出为BRZ码（双极性归零码）。
TP017：
拨码开关设置不变，输出为BNRZ码（双极性非归零码）。
TP018：
拨码开关设置不变，输出为AMI码（传号交替反转码）。
六、实验仪器仪表
1.40M数字示波器1台
2.现代通信原理实验系统实验箱1台
七、实验思考题
1.实验电路中内时钟信号源产生是由两级非门、晶振、电阻、电容元件组成反馈式振荡器,能否用其它形式的电路产生时钟信号，举例说明。
2.时钟信号的分频电路能否用其它的方法产生，有哪些方法？
画出原理图,要求电路尽量简要、清楚。
3.设代码为111100101100001101001001,画出NRZ、RZ、BNRZ、BRZ、BPH、及AMI信号波形。
4.伪随机序列发生器中，如果在Q2与Q1级间再加上一级移存器QS，试分析该电路的工作过程并画出输出波形。
5.理解并分析正弦波测试信号发生器电路后，试再用其它方法产生正弦波信号。
举例说明，并画出电路图。
八、实验报告要求
1．分析实验电路的工作原理，叙述其工作过程。
2．根据实验测试记录，画出各测量点的波形图。
3．对实验讨论思考题加以分析，并画出原理图与工作波形图。
拨码开关SW001,SW002,SW003的设置为11100000，11001010，11111000，如下所示：
SW001SW002SW003
TP011
BS
TP013
NRZ
TP015
RZ
TP016
BRZ
TP017
BNRZ
图1-9各测量点参考波形
实验二HDB3码型变换实验
一、实验目的
1．了解二进制单极性变换为HDB3码的编码规则，掌握它的工作原理和实现方法。
2．掌握HDB3码的位同步码的提取方法。
二、实验内容
1．观察HDB3编译码的各种波形。
2．观察全0码和全1码时的HDB3码的编码波形。
3．观察从HDB3编码信号中提取位同步信号的过程。
三、实验原理
AMI码编码原理：
信息代码1变为带有符号的1码即+1或-1，1的符号交替反转；信息代码0仍为0码，因此，AMI码对应的波形是占空比为0 .5的双极性归零码,即脉冲宽度τ与码元宽度（码元周期、码元间隔）Ts的关系是τ=0.5Ts。
AMI码的主要特点是无直流成分，接收端收到的码元极性与发送端完全相反也能正确判断。
译码时只需把AMI码经过全波整流就可以变为单极性码。
HDB3码的编码原理：
HDB3码主要解决AMI码在连0过多时同步提取困难的问题。
编码时，将4个连0信息码用取代节000V或B00V代替，当两个相邻V码中间有奇数个信息1码时取代节为000V码；有偶数个信息1码（包括0个）时取代节为B00V，其它的信息0码仍为0码，这样，信息码的1码变为带有符号的1码即+1或-1；HDB3码中1、B的符号符合交替反转原则，而V的符号破坏这种符号交替反转原则，但相邻V码的符号又是交替反转的。
因此，HDB3码是占空比为0.5的双极性归零码。
设信息码为0000011000010000，则NRZ码、AMI码、HDB3码如图2-1所示。
信息代码0000011000010000
NRZ波形
AMI代码000001-1000010000
AMI波形
HDB3代码B00V0-11-B00-V1000V
HDB3波形
图2-1NRZ、AMI、HDB3关系图
分析表明，AMI码及HDB3码的功率谱如图2-2所示，它不含有离散谱fs成分（fs=1/T，等于位同步信号的频率）。
在通信的终端需将它们译码为NRZ码才能送给数字终端机或数模转换电路，因此，在做译码时必须提供位同步信号。
工程上，一般将AMI或HDB3码数字信号进行整流处理，得到占空比为0.5的单极性归零码（RZ|τ=0.5Ts），该信号的功率谱如图2-2所示。
由于整流后的AMI、HDB3码中含有离散谱fs，故采用一个窄带滤波器可以得到频率为fs的正弦波，整形处理后即可得到位同步信号。
RZ
HDB3
AMI（P1=P0=1/2）
f
00.5fsfs2fs
图2-2AMI、HDB3、RZ|τ=0.5Ts频谱
HDB3码的编译码原理框图及其电路原理图分别如图2-3、图2-4所示。
本单元采用集成电路CD22103对HDB3进行编译码，其第3脚接+5V时为HDB3编译码器，接地时为AMI编译码器。
编码时，HDB3编码器的输入信号NRZ码及位同步信号BS来自实验一的数字信号源单元，通过HDB3编译码器输出两路并行信号+H-OUT和-H-OUT，它们都是半占空比的正脉冲信号，分别与HDB3码的正极性信号及负极性信号相对应，这两路信号经单/双极性变换后得到HDB3码。
单双
变换
+H
双单
变换
HDB3
编译码器
相加器
NRZ-IN+H
-H
BS-IN-H
HDB3-D
带通2
带通1
BS-RBFK1●
NRZ-OUT●
图2-3HDB3编译码方框图
欲对HDB3信号翻译码得到NRZ信号，必须从HDB3信号中提取位同步。
由于HDB3信号本身不含有位同步频率成份，故不能从HDB3信号中提取位同步。
双/单极性变换器及相加器构成一个整流器，HDB3整流后得到的HDB3－D信号含有位同步信号频率离散谱。
由于位同步频率比较低，很难将有源带通滤波器的带宽做的很窄，因此，带通1输出信号BF是一个幅度和周期都不恒定的正弦信号，此信号经LM318限幅放大、整形后得到幅度稳定、周期变化的脉冲信号，但仍不能将此信号作为译码器的位同步信号，需经CD4046滤波后才能得到恒周期的位同步信号，该信号即可作为HDB3译码器的时钟信号。
CD4046是一个电荷泵锁相环，当锁相环的自然谐振频率足够小时，对输入的电压信号可等效为窄带滤波器。
本单元中通过CD4046构成一个Q值约为35的窄带滤波器，从而输出一个符合译码器要求的位同步信号。
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